磁性测量概论.ppt

磁性测量概论（共50页）,磁性磁性测量,磁性测量概论,希望澄清一些磁学计量概念帮助了解数据的来源全面掌握数据的测量方法促进研究磁性的测量理论与测量技术,1,磁性测量概论,2,磁性,磁性的起源原子磁矩,未成对电子,,固有,3,磁性,磁性的起源原子磁矩,,,,,电子电荷－e自旋磁矩自旋磁矩＋轨道磁矩,原子核电荷＋e自旋1磁矩N,,,,,,,,,原子磁矩＝电子磁矩＋原子核磁矩,未成对电子,Pauli不相容原理＋Hund法则,,固有,3,磁性,磁有序的起源交换相互作用,无交换相互作用,量子力学效应全同粒子,4,磁性,物质的磁性（内禀）,5,,,磁性,物体的磁性（表观内禀）,制备工艺相关,物理原理决定,尺寸效应（退磁因子）（天体基本粒子）,结晶状态显微结构杂质状态,Fe或者铁Co或者钴,6,磁性测量,磁性测量的现状,7,一、直接测量原子的磁矩,二、间接测量原子的磁矩,真正测量单原子磁圆（线）振二向色性中子散射Mssbauer谱,间接测量单原子假设、计算,统计平均总体平均,原子核磁矩,再谈,磁性测量,磁性测量原则,8,盘点我们的本事,磁性测量,磁性测量原理,间接测量－直接测量,9,磁性测量,电磁感应原理,,,,面积A,磁通量,,,,10,磁性测量,物理效应之一磁－电,,11,磁场中的电输运,磁性测量,物理效应之二磁－光,,12,磁性测量,物理效应之三磁－力（声）,,13,,磁性测量,物理效应之四磁－热,磁致温差效应,磁热效应,磁卡效应,14,磁场敏感器件,磁性测量,物理效应之五磁－磁,,15,磁性测量,磁相关共振,,16,－SR,磁性测量,磁性测量技术,信号发生,信号变换,信号采集,信号传输,信号存储,信号处理,,,,,,电信号光信号,,模拟技术数字技术,,,17,磁性测量,磁性测量传统仪器,18,磁性测量,磁性测量传统仪器,19,磁性测量,磁性测量传统仪器,信号采集,20,磁性测量,磁性测量传统仪器,21,磁性测量,磁性测量虚拟仪器（VI）,传统仪器厂商定义功能,虚拟仪器用户定义功能,,22,磁性测量,磁性测量虚拟仪器,VirtualInstrumentation--ComputerBasedInstruments,23,磁性测量,磁性测量虚拟仪器,24,待发展,25,再谈磁性测量的现状,磁性磁体能吸引铁、镍等金属的性能,Magnetismphenomenaassociatedtomagneticfield,什么是“磁性”,（ZHAO）不仅仅是MagneticPropertyof,再谈1,至少包括微观粒子磁矩质子、中子、电子、介子；原子、离子；分子、原子团、颗粒粒子的磁相互作用交换作用、偶极作用、超精细相互作用；自旋－轨道耦合；分子场、自旋极化率宏观材料本身磁化强度、矫顽力、磁能积；磁化率、磁导率；居里温度、磁各向异性材料与外界条件的相互作用磁力、磁光、磁热、磁电、共振,自旋与轨道磁矩的测量,自由粒子的磁矩－基本解决,再谈2,中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团,4、磁场偏转（Stern－Gerlach实验）中子、质子、介子,1、电子自旋假设G.E.Uhlenbeck和S.Goudsmit（1925）；2、电子自旋理论P.A.M.Dirac（1928）3、电子自旋测量Stern－Gerlach实验（1922）,candidateforthemostbeautifulexperimentRobertPCrease,5、原子核磁矩核磁共振（NMR）、自旋回波（spinecho）Mssbauer效应、－介子自旋共振（－SR）中子衍射（抑制电子的磁性散射）,Candidatesforthemostbeautifulexperimentsinphysics（RobertPCrease,纽约石溪分校）Stern－Gerlach实验（1922年）电子自旋Michelson－Morley实验（1887年）光传播Cavendish实验（1776年）空球壳的电荷分布、电荷作用Weber－Kohlrausch实验（1856年）静止电荷与运动电荷关系吴健雄实验（1956年）弱相互作用的宇称不守恒,蓝色另有专题,自旋与轨道磁矩的测量,自由粒子的磁矩－基本解决,再谈3,中子、质子（氢离子）、电子、原子、离子、原子团,一般是磁性材料－基本解决1、元素分辨的自旋与轨道磁矩磁二色谱（XMD）2、非元素分辨原子磁矩中子散射、Mssbauer谱3、总体磁矩12，宏观磁性测量。,6、自由粒子的形成（实现无相互作用的自由状态）7、宏观磁性测量技术可用－统计平均,凝聚体的电子自旋与轨道磁矩,自旋与轨道磁矩的测量,凝聚体的原子核磁矩－基本解决,再谈4,原子核磁矩的测量途径与自由粒子的原子核磁矩相同,1、原子核磁矩本身的特性,中子散射核磁矩与中子磁矩的相互作用（高角）核磁共振核磁矩基态亚能级（Zeeman能级）之间跃迁,2、原子核磁矩与电子的相互作用,由于磁超精细相互作用的存在Mssbauer效应核磁矩基态与激发态之间的能级跃迁；电子自旋共振（ESR）、光谱超精细结构、－SR,磁结构与相互作用,磁结构－有效方法不多－点阵分辨,1、磁结构的定义,再谈5,针对材料而言；原子磁矩的空间（几何）位置、相对取向。,2、比较有效的（直接）方法,目前只有中子衍射是测定材料磁结构的有效方法。,磁二色谱元素分辨，提高空间位置分辨率,相变方法磁共振、各种宏观磁性测量技术,3、其它可以使用的方法,NMR、Mssbauer谱,谨慎,原命题如果A成立B成立；（A是B的充分条件）逆命题如果BA成立；（A是B的必要条件）否命题如果A不成立B不成立；（A是B的必要条件）逆否命题如果B不成立A不成立；（A是B的充分条件）原命题与逆否命题一定为真；逆命题和否命题不一定为真；所有命题都为真，则A是B的充分必要条件（充要条件）,应该注意的问题,逻辑,如果A成立B成立,A是B的充分条件；B是A的必要条件,设“A”＝“具有铁磁性”；“B”＝“存在磁滞迴线”,如果“具有铁磁性”必然“存在磁滞迴线”,如果“存在磁滞迴线”不一定“具有铁磁性”,反铁磁性超顺磁性自旋玻璃,铁磁性亚铁磁性超顺磁性,充分条件非必要条件,一个人的能力不在于学会了多少知识而在于学会了使用多少知识,磁结构与相互作用,磁结构－有效方法不多－点阵分辨,相变方法－温度依赖关系＋理论,再谈6,1、磁共振方法可以分辨磁性与非磁性；包括（Mssbauer谱测量铁磁－顺磁转变谱线劈裂、ESR、FMR、NMR等）,2、宏观磁性测量技术测量材料的磁化率－温度曲线。根据曲线的特征判断磁结构。属于总体平均结果，不是原子点阵分辨的，只能（定性）说明材料整体处于何种磁结构,磁结构与相互作用,交换相互作用－磁结构,再谈7,超精细相互作用磁共振技术、光谱,宏观磁偶极作用（大块材料）力学测量,自旋－轨道耦合ESR、磁二色谱,磁偶极作用－,微观磁偶极作用理论M方法磁共振（也许）,磁超精细作用－解决,自旋－轨道耦合－,各种磁场的测量,物体外的磁场－空间,1、地球范围内的磁场－基本解决,再谈8,各种磁场传感器Hall效应磁强计、各种磁场电流效应（MR）、磁通门磁强计、SQUID、磁光效应、NMR,2、地球外宇宙的磁场－无直接测量,理论预言天体物理（中子星、磁星，等等）,生物体磁场SQUID、磁通门磁强计,各种磁场的测量,物体内的磁场－办法不多,1、分子场（交换场）－困难,再谈9,磁共振技术ESR、NMR、Mssbauer谱；光谱,规则形状理论修正（宏观磁性测量）；铁磁共振（FMR）Kittel公式不规则形状几乎不可能,分子场（交换场）（磁共振AFMR）,2、退磁场－比较困难,3、磁超精细磁场－解决较好,各种磁场的测量,物体内的磁场－办法不多,4、磁晶各向异性等效场－宏观解决较好,再谈10,铁磁共振球形样品，各向异性常数测量,中子衍射、Mssbauer谱,磁二色谱XMCD，Bruno提出（1989年）,宏观磁性测量磁转矩方法、磁光Kerr效应（复旦金晓峰）磁化曲线方法奇点探测法（SPD）取向样品磁化曲线交点,宏观磁性能的测量,直流磁性能－解决相当好,再谈11,各种宏观直流磁性能测量技术，如电磁感应、力学、光学、磁共振技术，等。,工频、射频、微波、远红外（马达、通信、磁共振）,磁光效应（Faraday、Kerr、XMD）－基本解决,光－磁效应有待研究,交流磁性能－解决比较好,光频磁性能,自旋极化率的测量,自旋极化率的定义,再谈12,2、A.F.Andreev反射表面（界面）极化状态,Fermi面附近不同取向的电子自旋态密度的差,自旋极化率的测量－原理缺陷,1、电输运（隧道效应）－传导电子的自旋极化,3、光电子谱（PES）XMCD/XMLD－能量分辨差,动态磁化过程,动态磁化过程的定义,再谈13,狭义交流磁化过程（工频、射频、微波）,广义磁化状态随时间变化的具体过程。固定周期的交变磁场、脉冲磁场,动态磁化过程的观测－快速发展,磁光效应二次谐波Kerr效应（SH－MOKE）磁共振铁磁共振（FMR）光电子谱（PES）XMCD/XMLD－能量分辨其它,磁成像技术,杂散磁场成像－限于物体表面,再谈14,粉纹法（BitterPattern）磁性颗粒受畴壁杂散场影响。磁力显微镜（MFM）MagneticForceMicroscopy扫描Hall探针（SHP）ScanningHallProbe扫描SQUID显微镜（SSM）ScanningSQUIDMicroscopy扫描MR显微镜（SMRM）基于磁场电流效应，有待发展Lorentz电子显微镜电子受到的Lorentz力作用电子全息术ElectronHolography（1967，Cohen）－干涉,物体表面的磁畴成像－丰富多彩,物体内部的磁畴成像－进展缓慢,两大类原理1、杂散磁场成像；2、磁矩本身成像,磁成像技术,磁矩成像－磁矩大小、方向,再谈15,磁光Faraday效应（MOFE）内部磁畴磁光Kerr效应（MOKE）表面磁矩成像表面磁光Kerr效应（SMOKE）二次谐波磁光Kerr效应SH-MOKESecondHarmonicMagnetoOpticalKerrEffect－近场光学成像,1、光学成像磁光效应,2、电子成像,自由电子束，受激发电子（光电子、二次电子）,磁成像技术,磁矩成像－表面,再谈16,自旋极化低能电子显微术（SPLEEM）Spin-polarizedLowEnergyElectronMicroscopy－表面的自旋相关准弹性散射,自旋极化自由电子束,极化分辨扫描电子显微镜（SEMPA）ScanningElectronMicroscopywithPolarizationAnalysis,－用Mott探测器测量二次电子的自旋极化状态,二次电子,自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）Spin-polarizedScanningTunnelingMicroscopy－表面的自旋相关隧道效应,弹道电子磁显微镜（BEMM）BallisticElectronMagneticMicroscopy，－自旋相关的电子散射（弹道电流强弱）,磁成像技术,磁矩成像－表面,再谈17,光电发射电子显微术（PEEM）PhotoemissionElectronMicroscopy－基于磁二色谱的方法,光电子（photoemittedelectrons）－磁二色谱,磁圆二色谱MCDMagneticCircularDichroism～M磁线二色谱MLDMagneticLinearDichroism～M2,磁二色谱自旋极化相关的光吸收谱,目前可以进行反铁磁磁畴观测的唯一手段,磁性相变的测量,热激活、压力、外磁场引起的相变,再谈18,1、宏观磁性测量磁化率－温度、磁场、压力关系；2、磁共振效应ESR，FMR，NMR，Mssbauer效应3、磁光效应磁光Faraday效应、磁光Kerr效应、磁二色谱4、磁性散射中子衍射,自旋波激发－磁振子,1、铁磁共振非一致进动的自旋波模式；2、Brillouin光散射自旋波、声波声子；3、磁性散射中子衍射,小尺度系统的磁性,目前状态－正在探索,再谈19,1、可进行宏观（总体）磁性测量统计平均。,2、小尺度系统的特点与要求,具有空间分辨能力，可以研究小尺度本身的磁性；必须具有很高的磁性信号灵敏度；最好具有时间分辨能力，可以研究动态过程；,较高的空间分辨率、磁矩敏感的磁性测量技术候选）,SH－MOKE、XMCD/XMLD（PEEM）、电子全息、SEMPA,本次讲座涉及的内容,TheEnd,